并网光伏发电系统配置储能技术选型研究

马 丽 庞秀岚 付少杰 李晓峰

（国家电投集团青海光伏产业创新中心有限公司，青海 西宁 810000）

0 引言

近年来，“生态优先、绿色发展”的理念逐步深入人心，大力发展可再生能源、加快能源转型发展已成为全球共识，而风电、光伏等新能源本身的波动性和间歇性决定了灵活性，将是以新能源为主体的新型电力系统必不可少的组成部分。储能作为灵活性调节资源在新型电力系统中发挥着至关重要的作用，是新能源成为主体电源后系统调节的必然选择。本文主要对并网光伏发电系统配置储能技术选型进行浅析。

1 并网光伏发电系统储能应用场景

储能技术在新能源电站中的应用场景主要有削峰填谷、能量搬移、跟踪计划出力、平抑波动、调峰、调频、电压支撑、储能新技术户外实证、混合储能等，此外，《电力系统安全稳定导则》（GB 38755—2019）要求电源在电力系统中需为系统提供必要的惯量[1]。

2 储能设备选型

根据能量储存形态的不同，储能技术可分为机械类储能、电磁类储能、储热类储能、化学类储能、电化学类储能。

2.1 机械类储能

2.1.1 抽水蓄能（PHS）

抽水蓄能利用水作为储能介质，通过电能与势能相互转化，实现电能的储存和管理。其具有技术成熟、响应速度快等优点；但由于选址困难，对地形地质等条件要求较高，且需要水源等原因，不适合应用于光伏电站。

2.1.2 压缩空气储能（CAES）

CAES主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，形成高压压缩空气将其储藏在高压密封设施内，在用电高峰释放出来，驱动燃气轮机发电。其具有长时储能、长寿命、具备转动惯量等优点，但其响应速度慢、能量效率低，且存在对大型储气室、化石燃料的依赖等问题[2]。CAES适用于规模较大的储能需求场景。

2.1.3 飞轮储能

飞轮储能通过电动/发电互逆式双向电机，实现电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存[3]。飞轮在转动时动能为，J为飞轮的转动惯量，大小与飞轮质量和半径有关；ω为飞轮旋转角速度，飞轮在高速旋转时，会受到极大的离心力作用，因此绝大多数飞轮采用埋地式安装。飞轮储能具有寿命长、功率密度高等优点，但其能量密度低且自放电率高。在调频应用场景下，可适当配置飞轮储能为电站提供调频功能进行电能质量保障。另外，虽然飞轮储能电机具备转动惯量，但飞轮储能系统接入光伏发电系统仍需要通过飞轮电机变流器（AC/DC）及储能变流器（PCS）等电力电子设备，因此在该种接入方式下飞轮储能仍然不能为系统提供转动惯量。

2.1.4 重力储能

重力储能以重力造成的位能来储存能源，当电力多余时驱动马达将重物吊至高处，需要电力时再利用重物下降的力量来驱动发电机发电。新型重力储能主要有水介质型、基于构筑物高度差、基于山体落差、基于地下竖井重力储能系统[4]。重力储能具有寿命长、原理简单等优点，但对选址要求较高、能量密度低，在并网光伏系统内易造成光伏组件阴影遮挡，影响光伏系统发电量，根据技术现状暂不适用于并网光伏系统。

2.1.5 新型抽水压缩空气储能

西安交通大学提出了新型抽水压缩空气储能（PHCA），PHCA集成了抽水蓄能（PHS）和压缩空气储能（CAES）的特点。与PHS相比，PHCA不需要建造大型水坝；与CAES相比，PHCA利用效率较高的水泵替代传统压缩机储能，利用效率较高的水轮机替代传统气体透平释能，且运行过程中趋于等温压缩和等温膨胀。储能开始前，由压缩机或高压气瓶向水气共容腔体充气至某预定压力；储能时，高压水泵克服水气共容腔体内外压差，向共容腔注水，使水位升高从而对储能容器内高压气体压缩做功，实现抽水储能；发电时高压气体借助水推动水轮发电机组发电[5]。PHCA具有寿命长、无须加热、具备转动惯量等优点，但储能空间的选取可能会受到限制，且其能量效率和技术成熟度较低。

2.1.6 小结

综上所述，根据并网光伏发电系统应用场景，若地理条件等因素满足，可适当配置压缩空气储能为系统提供惯量支撑；在调频应用场景下，可适当配置飞轮储能技术为系统提供频率、电压支撑。

2.2 电磁类储能

2.2.1 超级电容器

2.2.1.1 双电层电容器

通过正、负离子在固体电极和电解液之间的表面上分别吸附，造成两固体电极之间的电势差，实现能量的存储[6]。其具有寿命长、功率密度高等优点；但其能量密度较低、自放电率高，应用在并网光伏发电系统时受制于PCS电压范围，无法深度充放电。

2.2.1.2 法拉第赝电容器

在电极表面活体相中的二维或三维空间上，电极活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。其具有高比电容、高比容量、高能量密度的优点，但其可逆性和循环性能相对较差，且技术成熟度较低。

2.2.1.3 混合型超级电容器

一极采用传统的电池电极并通过电化学反应来储存和转化能量，另一极则通过双电层来储存能量的一种超级电容器，具有双电层电容器和电池的双重特征，但功率密度低，产业化正在推进中。

2.2.2 超导磁储能（SMES）

SMES利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能回馈电网或其他负载，并对电网的电压凹陷、谐波等进行灵活治理，或提供瞬态大功率有功支撑的一种电力设施。其具有响应速度快、效率高、有功和无功输出可灵活控制等优点，但过高的成本使其可靠性和经济性受到制约，还未能大规模进入市场[7]。

2.2.3 小结

对于并网光伏发电系统，遇到混合储能及调频场景时，可适当采用双电层电容器及混合型超级电容器为系统提供频率支撑及平抑波动功能。

2.3 储热类储能

2.3.1 显热储热

将提取的毒腺、毒管、肌肉组织的DNA样品，分别取2 μL至1.5 mL离心管中用ddH2O稀释50倍，使用核酸蛋白分析仪对稀释后样品进行测定波长260 nm和280 nm的光吸收值。计算A260/A280的比值，根据比值判断芋螺DNA样品的纯度，依据A260值计算DNA的浓度。

利用储热材料的热容与温度变化，以储热材料为媒介，将太阳能、光热、电制热、工业余热等热能储存起来，在需要的时候释放热能。

2.3.2 潜热储热（相变储热）

利用储热材料相态变化的相变潜热，以储热材料为媒介，将太阳能、光热、电制热、工业余热等热能储存起来，在需要的时候释放热能。

2.3.3 热化学储热

利用热化学对（可逆反应、吸附/解吸）的吸/放热，以储热材料为媒介，将太阳能、光热、电制热、工业余热等热能储存起来，在需要的时候释放热能。

2.3.4 小结

储热类储能可应用于光热利用场景，在并网光伏发电系统暂无可用场景。

2.4 化学类储能

化学类储能主要有电力燃气电厂、动力液系统、电力化工厂、氢能等。其中，电力燃气电厂、动力液系统、电力化工厂不适用于新能源发电侧应用场景。氢能全产业链包含制氢、储氢、输氢、用氢等过程，储能时利用光伏发电电解水制氢将富余电能转化为氢气储存，释能时通过氢燃料电池将氢能转化为电能。

2.5 电化学类储能

2.5.1 铅酸电池

铅酸电池主要有普通非密封富液铅蓄电池、阀控密封铅酸电池、铅炭电池等，其技术虽已成熟，但寿命短、易产生环境污染，目前已逐渐被淘汰。

2.5.2 锂离子电池

2.5.2.1 磷酸铁锂

锂离子通过隔膜在正负极之间移动产生氧化还原反应。其具有技术成熟度高、效率高、可深度充放等优点，但其低温性能较差、电池一致性较三元锂略差，安全性又优于三元锂。

2.5.2.2 三元锂

三元锂包括NCM和NCA两种体系，NCM正极材料由镍钴锰组合而成，NCA正极材料由镍钴铝组合而成，负极材料均采用石墨。其具有效率高、可深度充放等优点，但其安全性及经济性较磷酸铁锂稍差。

2.5.2.3 钛酸锂

钛酸锂（Li4Ti5O12）是一种金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，正极活性物质为三元锂，负极为钛酸锂，电解液是六氟磷酸锂有机溶液。其具有寿命长、工作温度范围宽、安全性高等优点，但其能量密度较低，成本较磷酸铁锂略高。

2.5.2.4 固态锂电池

固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池，固态锂电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质，取代以往锂电池的电解液，大大提升了锂电池的能量密度。目前可量产的均为固液混合电解质电池，全固态电解质电池尚不能量产。

2.5.3 液流电池

2.5.3.1 全钒体系（VRB）

VRB是通过钒离子的价态变化实现化学能到电能的往复转换，从而实现电能存储与释放。

2.5.3.2 铁铬体系（Fe-Cr）

Fe-Cr是通过正负极电解质溶液中的活性物质发生可逆的氧化还原反应实现电能和化学能的相互转化[8]。其具有环境适应性强、寿命长等优点，但其能量密度低、成本较VRB略高。

2.5.3.3 锌溴体系（Zn/Br2）

Zn/Br2在循环泵的作用下，电解液在储液罐和电池正负极构成的闭合回路中流动，发生氧化还原反应实现电池的充放电。其具有寿命长等优点，但存在漏液风险且成本偏高。

2.5.3.4 多硫化钠/溴体系（PSB）

电池充放电时由Na+通过离子交换膜在正负极电解液间的迁移形成通路。多硫化钠的高温合成法以及硫化氢合成法工艺复杂，成本高。2.5.4钠系电池

2.5.4.1 钠硫电池

钠硫电池需要在300℃的环境温度中运行，考虑到电池技术可能存在的高危险性，一般只应用于固定场合。

2.5.4.2 钠离子电池

钠离子电池的工作原理与锂离子电池完全相同，组成结构与锂离子也完全相同，主要都包括正极、负极、电解质、隔膜和集流体等，通过氧化还原反应进行充放电。相比于锂离子电池，钠离子电池的优势在于原材料资源丰富，安全性能好等，但能量密度略低于锂离子电池且发展尚不成熟。

2.5.5 金属空气电池

金属空气电池中锌空气、铝空气、镁空气电池等以氧为正极、金属为负极，锂空气电池以锂为正极、氧为负极，通过氧化还原反应进行充放电。金属空气电池目前均处于研究阶段，未大规模投入使用。

2.5.6 新型电池

随着储能技术日新月异的发展，行业内涌现出了一些新型电池储能技术，如斯坦福大学崔屹教授开发的新型镍氢气电池，其具有寿命长、高低温运行性能好、成本低等优势，目前处于商业化阶段。

2.5.7 小结

锂离子电池、液流电池可应用于能量搬移、调峰、跟踪计划出力、平抑波动、调频、电压支撑等场景；尚未规模化发展的，如固态锂电、钠离子、新型电池等可应用于新技术户外实证场景。值得注意的是，2022年6月，国家能源局综合司发布了《关于征求〈防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）〉意见的函》，其中提到“中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池”[9]。

3 结语

在电力系统从传统电网向新型电网转型的过程中，储能技术将扮演重要角色。本文主要开展了并网光伏发电系统配置储能技术选型研究，根据各类型储能技术发展现状，可应用于并网光伏发电系统的储能技术选型如表1所示。

表1 光伏发电系统储能技术初步选型

综上所述，储能技术的选型需在满足相关国家规范要求的前提下，主要考虑储能技术发展及应用现状、储能在并网光伏发电系统的应用场景、技术成熟度、运行可靠性以及储能制造商的生产规模、行内业绩、制造水平等因素。